JP2005537631A - アモルファスＦｅを主成分とするコアを有する変流器 - Google Patents

Abstract

磁気コアがトロイダル構造を有し、鉄を主成分とするアモルファス金属のリボンを巻くことによって形成される。その後、線形Ｂ−Ｈ特性を達成するためにコアは熱処理される。有利なことに、その線形Ｂ−Ｈ特性は印加される磁界のレベルおよび使用される周波数で変化することはない。そのような特性にょり、このコアは特に変流器に使用されることに適している。

Description

本発明は、電力分配システム、電源、電磁気機械装置などのためのトランスに関し、より詳細には、コア材料が磁気的励起レベルに対して直線的に応答する電流精密測定のための変流器に関する。

銅線のような導電性の媒質に流れる電流の直接測定は簡単でなく、特に媒質の電流レベルと電圧が高い時に簡単でない。間接的測定方法には電流が流れることによって生じる渦電流をモニタすることに基づいた従来式の電気的計器、低電流区分が高精度抵抗器で構成される分流器の使用、および電流の流れによって発生する磁界の変化を検出する磁束計が含まれる。これらの技術のすべてが欠点を有する。例えば、渦電流を基本とする電気的計器は特に、測定される電流が基本電流周波数の高調波を含む時に不正確である。分流器は電流の電源電圧が高い時に危険である。磁束計は広範に使用され、電流によって生じる磁束がホール効果センサまたは検知コイルによって検出される。両方のケースで、感度を向上させるために高い透磁率を備えた磁束集束器が概して使用される。高精度を達成するために、透磁率は、磁束集束器で作り出された磁束が測定される電流によって生じる磁界に直接比例するようにされるべきである。そのような磁気集束器は普通、極めて線形Ｂ−Ｈ特性を有する軟磁性材料であり、ここでＢは磁束密度であり、Ｈは磁束の方向に関して直交方向に流れる電流によって作り出される磁界である。

線形Ｂ−Ｈ特性は、概して、材料の磁気的に安定し易い軸が磁気励起の方向に対して直角に横たわる軟磁性材料で得られる。そのような材料では、外部磁界Ｈは磁束Ｂの平均的方向を傾斜させる傾向があり、それにより、測定される量ＢはＨに比例する。磁界Ｈは測定される電流に比例するので、磁束Ｂは電流に直接比例する。しかしながら、大部分の磁性材料は非線形Ｂ−Ｈ特性を有し、理想的な線形Ｂ−Ｈ特性は達成することが難しい。理想的Ｂ−Ｈ線形性からどのような偏差を有することも磁束計を使用する電流の測定に不正確さを導入する。

線形Ｂ−Ｈ特性を示す伝統的な磁性材料はアイソバーム（Ｉｓｏｐｅｒｍ）と呼ばれる冷間圧延された５０％Ｆｅ−Ｎｉ合金である。アモルファスの磁性合金の中でも、熱処理されたＣｏの豊富な合金は線形Ｂ−Ｈ特性を与えると知られてきており、変流器の磁気コア材料として現在使用されている。概して、Ｃｏの豊富なアモルファス合金は約１０ｋＧもしくは１テスラよりも低い飽和誘導を有し、それが測定される最大電流を制限する。その上さらに、これらの合金は、合金を形成するために使用される多量のＣｏのせいで高価である。明らかに必要とされるのは線形Ｂ−Ｈ特性を示す１０ｋＧ（１テスラ）よりも高い飽和誘導を有する安価な合金である。

アモルファス金属の合金は１９７４年１２月２４日にＣｈｅｎとＰｏｌｋに発行された米国特許第３，８５６，５１３号に開示された。これらの合金は式Ｍ_ａＹ_ｂＺ_ｃを有し、ここでＭは鉄、ニッケル、コバルト、バナジウムおよびクロムで構成されるグループから選択される金属であり、Ｙはリン、ホウ素および炭素で構成されるグループから選択される元素であり、Ｚはアルミニウム、ケイ素、スズ、ゲルマニウム、インジウム、アンチモンおよびベリリウムで構成されるグループから選択される元素であり、「ａ」は約６０から９０原子パーセントの範囲にわたり、「ｂ」は約１０から３０原子パーセントの範囲にわたり、「ｃ」は約０．１から１５原子パーセントの範囲にわたる。やはり開示されているものは式Ｔ_ｉＸ_ｊを有するアモルファス金属のワイヤであって、ここでＴは少なくとも１種類の遷移金属であり、Ｘはリン、ホウ素、炭素、アルミニウム、ケイ素、スズ、ゲルマニウム、インジウム、ベリリウムおよびアンチモンで構成されるグループから選択される元素であり、「ｉ」は約７０から８７原子パーセントの範囲にわたり、「ｊ」は１３から３０原子パーセントの範囲にわたる。そのような材料は当該技術でよく知られている処理技術を使用して溶融物から急速冷却することによって都合よく調製される。

これらの開示は多くのアモルファス金属の合金について特異もしくは独特の磁気特性を述べており、それらは概してそこで検討および定義されている。しかしながら、電流／電圧トランスのような特定の用途については、線形Ｂ−Ｈ特性および約１０ｋＧ（１テスラ）を超える飽和誘導の組み合わせを有するアモルファス金属の合金が必要とされる。

本発明は変流器における使用に特に適した磁気コアを提供する。都合のよいことに、このコアは印加される磁界のレベルおよび使用される周波数で変化しない線形Ｂ−Ｈ特性を有する。概して、このコアは鉄を主成分とするアモルファスの合金リボンを巻くことによって形成されたトロイダル構造を有する。その後、コアを熱処理して、線形Ｂ−Ｈ特性を得る。鉄を主成分とするアモルファスの合金リボンは溶融物から急速冷却することによって作り出され、本質的に約７０〜８７原子パーセントの鉄で構成され、そのうちの最大で約２０原子パーセントの鉄がコバルトで置換され、最大で約３原子パーセントの鉄がニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンで置換され、元素のうちの約１３〜３０原子パーセントがホウ素、ケイ素および炭素で構成されるグループから選択される。

一実施形態では、本発明はコア／コイル組み立て品を含む。２本のリードを有する銅線がトロイダルコアに巻かれる。２本のリードは電圧計に接続される。コアの中央ＩＤ区画に銅ワイヤが挿入され、もしくはコアに巻かれ、電流源に接続される。電流源の出力電流を変えるため、および電圧計の読みをモニタして読みが電流源から供給された電流に直接比例したことを確認するための手段が設けられる。

以下の詳細な説明および添付の図面を参照すると本発明がさらに充分に理解され、さらなる利点が明らかになるであろう。いくつかの図面を通じて類似した参照番号は類似した素子を示す。

鉄を主成分とするアモルファスの合金リボンをトロイダル形状に巻いて磁気コアを形成した。その後、磁界を加えるかまたは加えずにコアをオーブンで熱処理した。その後、磁気誘導と磁界がそれぞれＢとＨである場合の線形Ｂ−Ｈ関係を確認するために市販の入手可能なヒステリシス記録計を使用してコアを試験した。鉄を主成分とするアモルファスの合金リボンは溶融物から急速冷却によって作り出され、本質的に約７０〜８７原子パーセントの鉄で構成され、そのうちの最大で約２０原子パーセントの鉄がコバルトで置換され、最大で約３原子パーセントの鉄がニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンで置換され、元素のうちの約１３〜３０原子パーセントがホウ素、ケイ素および炭素で構成されるグループから選択される。

図１は、トロイダルコアの円周方向に対して直角に２００の磁界を印加して４００℃で１０時間熱処理された本発明によるアモルファスのＦｅを主成分とするコアと先行技術のＣｏを主成分とするコアのＢ−Ｈ特性を比較している。本発明のコアのＢ−Ｈ挙動は−１５Ｏｅ（−１，２００Ａ／ｍ）と＋１５Ｏｅ（＋１，２００Ａ／ｍ）の印加磁界の中で線形であり、付随する磁気誘導または磁束の変化は−１２ｋＧ（−１．２Ｔ）から＋１２ｋＧ（＋１．２Ｔ）である。他方で、先行技術のＣｏを主成分とするコアの線形Ｂ−Ｈ領域は−７ｋＧから＋７ｋＧの磁束変化に限られており、それは電流測定能力を制限する。線形Ｂ−Ｈ特性はＢ／Ｈで定義される線形透磁率を意味する。図２は、本発明のアモルファスのＦｅを主成分とするコアの透磁率が約１０００ｋＨｚもしくは１ＭＨｚの周波数まで一定であることを示している。これは本発明の変流器の精度が約１０００ｋＨｚの周波数範囲全体にわたって一定のレベルを維持し得ることを意味する。

図３に示されるように、部分的に結晶化したＦｅを主成分とするアモルファス合金のコアで約３ Ｏｅ（２４０Ａ／ｍ）未満の外部磁界について線形Ｂ−Ｈの挙動が見出された。このケースでは熱処理時の磁界の有無は選択自由である。このコアは低電流レベルを検知するための変流器を提供する。

図４は本発明による変流器の例を示しており、アモルファスのＦｅを主成分とするコア１、電圧測定用の銅の巻き線２、および電流搬送ワイヤ３で構成される。銅巻き線２から出る２本のリードは電圧計４に接続された。電流搬送ワイヤ３の電流は電流源５によって供給された。電圧計４によって測定される出力電圧は、１．６Ｔの飽和誘導を備えたアモルファスのＦｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃを主成分とするコア（曲線Ａ）および１．５６Ｔの飽和誘導を備えたアモルファスのＦｅ−Ｂ−Ｓｉを主成分とするコア（曲線Ｂ）について図５にプロットされている。銅巻き線内で測定された電流と出力電圧の間で維持される線形は正確な電流モニタリングに必須である。

本発明のさらに完全な理解を提供するために下記の実施例が提示される。本発明の原理と実践を例示するために述べられる特定の技術、条件、材料、割り合いおよび報告データは判例であり、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。

サンプルの調製
アモルファス合金は、Ｃｈｅｎらの米国特許第３，８５６，５１３号によって教示された技術に従って溶融物から約１０^６Ｋ／ｓの冷却速度で急速冷却された。結果として得られた典型的に１０から３０μｍの厚さと約１ｃｍから約２０ｃｍの幅のリボンは、（Ｃｕ−Ｋα放射線を使用する）Ｘ線回折法および示差走査熱分析によって有意の結晶性がないと判定された。リボンの形状で、アモルファス合金は強度があり、光沢があり、硬度があり、かつ展性がある。

こうして作り出されたリボンがさらに細いリボンへと細長く切られ、それが今度は様々な寸法でトロイダル形状に巻かれた。このトロイダルコアは磁界を加えるか、または加えずにオーブンの中で３００と４５０℃の間の温度で熱処理された。熱処理時に磁界が印加された時、その方向はトロイドの円周方向を横断する方向であった。通常の磁界強度は５０〜２，０００Ｏｅ（４，０００〜１６０，０００Ａ／ｍ）であった。

磁気測定
図４のそれに類似したコアのＢ−Ｈ特性を得るために実施例１に従って調製されたトロイダルコアが従来式のＢＨヒステリシス記録計で試験された。トロイダル形状のコアのうちの１つはＯＤ＝１３．９ｍｍ、ＩＤ＝９．５ｍｍおよび高さ＝４．８ｍｍを有し、その他はＯＤ＝２５．５ｍｍ、ＩＤ＝１６．５ｍｍおよび高さ＝９．５ｍｍを有した。Ｂ／Ｈとして定義される透磁率がｄｃバイアスの電界および周波数の関数としてトロイダルコアに関して測定され、その結果として図２に示される曲線に結びついた。インダクタを作るために銅ワイヤ巻き線５０〜１５０巻き回数がトロイダルコアに適用された。

電流測定
実施例２に従って調製されたインダクタが図４に示されるように電圧計に接続された。インダクタのＩＤ（内径）区画に銅ワイヤが挿入され、電流源によって６０Ｈｚの電流が供給された。インダクタ出力電圧は電流源からの電流の関数として測定した。図５は１つのそのような範例である。

以上、十分詳細に本発明を説明してきたが、そのような詳細が厳密に順守されるされる必要がないこと、様々な変形および改造が当業者に示唆される可能性があってすべてが添付の特許請求項によって規定される本発明の範囲内に入ることは理解されるであろう。

本発明のアモルファスのＦｅを主成分とするコアおよびアモルファスのＣｏを主成分とする合金で構成される先行技術のコアのＢ−Ｈ特性を描くグラフである。 本発明のアモルファスのＦｅを主成分とするコアの透磁率を周波数の関数として描くグラフである。 磁界を印加せずに６．５時間４２０℃で熱処理した本発明のアモルファスのＦｅを主成分とするコアに関するＢ−Ｈ特性を描くグラフである。 本発明の変流器を描く透視図である。 図４の変流器の出力電圧を描くグラフである。

Claims (11)

1. 印加される磁界のレベルおよび使用される周波数により変化しない線形Ｂ−Ｈ特性を有する磁気コア。
2. 少なくとも約１０ｋＧ（１テスラ）の飽和磁気誘導を有するアモルファスの鉄を主成分とする合金で構成される、請求項１に記載の磁気コア。
3. 前記合金は細長いリボンに切られ、巻かれて前記コアを作り出す、請求項２に記載の磁気コア。
4. トロイダル、正方形、長方形、および三角形の形状で構成されるグループから選択される構造を有する、請求項３に記載の磁気コア。
5. 銅の巻き線を有する請求項４に記載の磁気コアを含むインダクタ。
6. 前記コアに追加の銅ワイヤの巻き線をさらに含む、請求項５に記載のインダクタ。
7. 前記コアの中空の幾何学中心に挿入された追加の銅ワイヤをさらに含む、請求項５に記載のインダクタ。
8. 請求項６に記載のインダクタを含み、追加のワイヤが正確にモニタもしくは測定される電流を搬送する変流器。
9. 請求項７に記載のインダクタを含み、追加のワイヤが正確にモニタもしくは測定される電流を搬送する変流器。
10. 前記追加的ワイヤ内の電流の高精度測定のための電圧計による測定に適した出力電圧を有する、請求項８に記載の変流器。
11. 前記追加的ワイヤ内の電流の高精度測定のための電圧計による測定に適した出力電圧を有する、請求項９に記載の変流器。

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